Tien päällä testatut GMSL-kamerat suuntaavat uusille markkinoille

Autoteollisuuden sovelluksiin kehitetyt teknologiat leviävät usein muille markkinoille, koska autonvalmistajat asettavat tiukkoja vaatimuksia luotettavuudelle, suorituskyvylle ja nopeille tiedonsiirtonopeuksille elektronisesti haastavassa ympäristössä. Siksi Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™) -kamerat ovat löytämässä valmiit markkinat konenäkösovelluksissa sellaisilla aloilla kuten automaatio ja robotiikka, älykäs maatalous, digitaalinen terveydenhuolto, avioniikka, robotaksit sekä vähittäiskaupan ja varastojen inventaarion hallinta.

Alun perin ajoneuvojen huippunopeisiin video- ja tiedonsiirtosovelluksiin kehitetty Analog Devices GMSL on laajalti käytetty ja luotettava tekniikka, joka tuo uudenlaista suorituskykyä huippunopeisiin videolinkkeihin ja mahdollistaa multistriimauksen yhdellä ainoalla kaapelilla.

Konenäkösovellukset vaativat erittäin suuria tietovirtoja korkean videolaadun mahdollistamiseksi. Full HD -kuva koostuu 1080 rivistä ja 1920 sarakkeesta. Tämä tarkoittaa 2 miljoonaa pikseliä, joista kukin koostuu punaisesta, vihreästä ja sinisestä elementistä, eli yhteensä 6 miljoonaa elementtiä. Kukin elementti vastaa 8 databittiä, joten jokainen kuva vaatii lähes 50 Mbit/s dataa. Nopeudella 60 kuvaa sekuntia yhden kameran tarvitsema tiedonsiirtonopeus on yli kolme ja puoli Gbit/s.

Ensimmäisen sukupolven GMSL, joka tuli ensimmäisen kerran markkinoille vuonna 2008, hyödynsi LVDS (Low Voltage Differential Signaling) -standardia ja tarjosi jopa 3,125 Gbit/s:n rinnakkaisen downlink-tiedonsiirtonopeuden. Tämä soveltui erityisesti useiden kamerajärjestelmien ja muiden ADAS (Advanced Driver Assistance Application) -sovellusten tiedonsiirtoon sekä autojen litteiden teräväpiirtonäyttöjen lisääntyvään käyttöön.

Toinen sukupolvi, GMSL2, jonka myötä tiedonsiirtonopeus nousi arvoon 6 Gbit/s, otettiin käyttöön vuonna 2018. Se oli yhteensopiva useampien erittäin nopeiden videoliitäntöjen kanssa, esimerkkeinä HDMI- ja MIPI-liitäntästandardit, joista jälkimmäinen on suosittu kuvakennoliitäntä kuluttaja- ja autokameroissa. Nämä edistysaskeleet mahdollistivat FHD (Full High Definition) -näytöt ja kamerat, joiden resoluutio on jopa 8 MP.

Seuraavan sukupolven GMSL3 voi siirtää dataa jopa nopeudella 12 Gbit/s yhdellä ainoalla kaapelilla. Se tukee useita 4K-resoluutiovirtoja, useiden näyttöjen ketjutusta ja useiden kameroiden yhdistämistä, esimerkiksi ajoneuvon etu-, taka- ja sivukamerat, 360°-näkymän saamiseksi. Yhä useammat autonvalmistajat täydentävät nykyään taka- ja sivupeilejä kameroilla, käyttävät eteen ja taaksepäin suunnattuja kameroita törmäysten välttämiseen sekä matkustamon sisäisiä kameroita kuljettajan ja matkustajien turvallisuuden valvontaan. GMSL3 voi yhdistää useista videosyötteistä sekä LiDAR- ja tutkajärjestelmistä saatavan datan.

Kun kamerat skaalataan CMOS-antureiden tasolle, ne voivat tuottaa aiemmin uskomattomaksi katsottua laatua alhaisin kustannuksin ja pienellä virrankulutuksella. Kuvakennoissa on miljoonia reseptorielementtejä, joista kukin muuntaa mittaukset digitaalisiksi arvoiksi, jotka lähetetään rinnakkaisliitännän sarjadatalinjojen kautta yhdessä synkronointi-informaation kanssa.

Sekä GMSL2 että GMSL3 käyttävät MIPI-liitäntästandardeja, jotka tarjoavat suunnittelijoille ja myyjille mahdollisuuden käyttää GMSL-kameroissa monenlaisia kuvakennoja.

GMSL vs. GigE

Konenäkösovelluksia aloittelevat insinöörit joutuvat epäilemättä nopeasti päättämään, pitäisikö käyttää GMSL- vai Gigabit Ethernet (GigE) -konenäkötekniikkaa. GigE-tekniikkaa käytetään laajalti teollisuussovelluksissa, koska se on pitkälti riippuvainen Ethernet-verkkoinfrastruktuurista ja -standardeista.

Nopeuksien 2,5 GigE, 5 GigE ja 10 GigE GigE Vision -kamerat ovat sovelluksissa nykyään yleisiä, ja uusimman sukupolven 100 GigE:n kamerat voivat käyttää jopa 100 Gbit/s:n tiedonsiirtonopeutta. GMSL on suunniteltu siirtämään dataa koaksiaalikaapelilla tai suojatulla kierretyllä parikaapelilla jopa 15 metrin etäisyydelle, kun taas GigE-tekniikalla vastaava etäisyys on 100 metriä. Molemmat etäisyydet voidaan kuitenkin ylittää tietyissä olosuhteissa.

Kumpikin tekniikka voi siirtää sekä dataa että virtaa saman kaapelin kautta: GMSL käyttää Power over Coax (PoC) -tekniikkaa, joten videokuva, ääni, ohjaus, data ja virta voidaan siirtää yhdellä kanavalla. Useimmissa GigE Vision -sovelluksissa käytetään Power over Ethernet (PoE) -tekniikkaa neliparisessa Ethernet-kaapelissa tai harvemmissa tapauksissa Power over Data Line (PoDL) -tekniikkaa yksiparisessa Ethernet-kaapelissa (SPE).

Järjestelmävaatimukset ja sovellustarpeet määräävät, mikä konenäkötekniikka on sopivin. Esimerkiksi GigE Vision voi tarjota erilaisia etuja yhden kameran sovelluksissa – erityisesti silloin, kun ne liitetään suoraan tietokoneeseen tai sulautettuun alustaan, jossa on Ethernet-portti.

Useita kameroita käytettäessä GigE Vision -sovellukset vaativat oman Ethernet-kytkimen, useilla Ethernet-porteilla varustetun verkkokortin (NIC) tai Ethernet-kytkinmikropiirin käyttöä. Tämä kytkentävaatimus voi mahdollisesti laskea korkeinta kokonaisdatanopeutta ja lisätä ei-ennakoitavan viiveen kameroiden ja päätelaitteen välillä, kun taas GMSL tarjoaa yksinkertaisemman ja suoremman arkkitehtuurin.

GigE Vision -laitteet voivat tukea korkeampaa resoluutiota ja kuvataajuutta – tai molempia samanaikaisesti – lisäpuskuroinnin ja pakkauksen avulla. GMSL-laitteet eivät tarjoa kuvapuskurointia ja -käsittelyä, joten resoluutio ja kuvataajuus riippuvat siitä, mitä kuvakenno voi tukea linkkikaistanleveyden sisällä. Insinöörien täytyy löytää yksinkertainen kompromissi resoluution, kuvataajuuden ja pikselien bittisyvyyden välillä.

GMSL yksinkertaistaa huippunopean videon arkkitehtuuria

GigE Vision -kamerat käyttävät tyypillisesti signaaliketjua, joka sisältää kuvakennon, prosessorin ja Ethernetin fyysisen kerroksen (PHY) (kuva 1). Prosessori muuntaa kennosta saatavan raa’an kuvadatan Ethernet-kehyksiksi. Siinä käytetään usein pakkaamista tai kehyspuskurointia tiedonsiirtonopeuden sovittamiseksi käytettävään Ethernet-kaistanleveyteen.

Kuva 1: Esitys GigE Vision -kameroiden kennopuolen signaaliketjun tärkeimmistä komponenteista. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

GMSL-kameran signaaliketjussa käytetään SerDes-arkkitehtuuria (serialisoija/deserialisoija, sarjamuunnin/rinnakkaismuunnin), jolla vältetään prosessorin käyttö (kuva 2). Sen sijaan sarjamuunnin muuntaa kuvakennon rinnakkaiset tiedot nopeaksi sarjadatavirraksi. Taustajärjestelmässä rinnakkaismuunnin muuntaa sarjadatan takaisin rinnakkaiseen muotoon, jotta elektroninen ohjausyksikkö (ECU) voi käsitellä sen järjestelmäpiirissä (SoC).

Kuva 2: GMSL-kamerat käyttävät kennopuolella yksinkertaisempaa signaaliketjuarkkitehtuuria kuin GigE Vision. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

GMSL-kamera-arkkitehtuuri yksinkertaistaa pienikokoisten ja vähävirtaisten kameroiden suunnittelua. Sarjamuuntimet voivat muodostaa suoran yhteyden kameroihin MIPI CSI-2 -perusliitännän kautta ja lähettää pakattua dataa GMSL-linkin kautta.

Tyypillinen isäntälaite on räätälöity sulautettu alusta, johon kuuluu yksi tai useampi rinnakkaismuunnin, jotka lähettävät kuvadatan MIPI-lähettimien kautta samassa muodossa kuin kuvakennon MIPI-lähtö. Räätälöityjä malleja varten tarvitaan uusia GMSL-kamera-ajureita, mutta jos kuvakennolla on jo ajuri, sitä voidaan käyttää vain muutamalla profiilirekisterillä tai rekisterikirjoituksella, jotta kameroista voidaan lähettää videovirta ohjausyksikköön.

GMSL-komponentit

ADI tarjoaa kattavan valikoiman sarjamuuntimia ja rinnakkaismuuntimia, jotka tukevat erilaisia rajapintoja. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat robustit PHY-ratkaisut, alhaiset bittivirhesuhteet (BER) ja taaksepäinyhteensopivuus. Kaikki videoprotokollat voidaan yhdistää toisiinsa – esimerkiksi HDMI ja OLDI (Open LVDS Display Interface).

Insinöörien täytyy valita parhaat mahdolliset komponentit omien sovellustarpeidensa, kuten laiteliitäntöjen, tiedonsiirtonopeuksien, kaistanleveyden, virrankulutuksen, ympäristöolosuhteiden ja kaapelipituuden mukaan. Muihin tekijöihin kuuluvat sähkömagneettiset häiriöt, virheiden käsittely ja signaalin eheys. Esimerkkejä ADI:n GMSL-komponenteista:

• MAX96717, CSI-2–GMSL2-sarjamuunnin (kuva 3) toimii kiinteällä nopeudella 3 Gbit/s tai 6 Gbit/s eteenpäin ja nopeudella 187,5 Mbit/s taaksepäin.

Kuva 3: Kaavio havainnollistaa MAX96717-sarjamuuntimia käyttävää tietovirtaa. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, joka muuntaa kaksi GMSL2-sarjatuloa MIPI CSI-2-muotoon. GMSL2-tulot toimivat itsenäisesti, ja molempien tulojen videodata voidaan yhdistää yhteen CSI-2-porttiin tai toistaa toiseen porttiin redundanssia varten.
• MAX96724, nelikanavainen tunneloitu rinnakkaismuunnin, muuntaa neljä GMSL 2/1 -tuloa kahdeksi MIPI D-PHY- tai C-PHY-lähdöksi. Tiedonsiirtonopeudet ovat 6/3 Gbit/s GMSL2-tulolle ja 3,12 Gbit/s GMSL1-tulolle sekä käänteisnopeudet 187,5 Mbit/s GML2:lle ja 1 Mbit/s GMSL1:lle.
• MAX96714 rinnakkaismuunnin muuntaa yhden GMSL 2/1 -tulon MIPI CSI-2 -lähdöksi kiinteällä nopeudella 3 Gbit/s tai 6 Gbit/s yhteen suuntaan ja 187,5 Gbit/s toiseen suuntaan.
• MAX96751 on HDMI 2.0 -tulolla varustettu GMSL2-sarjamuunnin, joka muuntaa HDMI:n yhdeksi tai kahdeksi GMSL2-sarjaprotokollaksi. Se mahdollistaa myös videon ja kaksisuuntaisen datan kaksisuuntaisen siirron yhdellä johdolla.
• MAX9295D muuntaa yhden tai kahden portin 4-kaistaiset MIPI CSI-2 -datavirrat GMSL2- tai GMSL1-muotoon.

ADI tarjoaa myös useita kehitystyökaluja, kuten MAX96724-BAK-EVK#-evaluointisarjan MAX96724-laitteille.

Yhteenveto

GMSL-kamerat ovat GigE Vision -malleihin verrattuna kompaktimpia ja tarjoavat yleisesti kustannustehokkaamman ratkaisun vähäisemmän kompleksisuutensa ansiosta. GMSL tarjoaa korkean resoluution digitaalisen videon luotettavan siirron mikrosekunnin viiveellä yhä useampiin kamera- ja näyttöpohjaisiin sovelluksiin koneoppimisesta ja autonomisista toiminnoista infotainmentiin ja turvallisuuteen. Miljoonat GMSL-linkit parantavat kuljettajien kokemusta tien päällä jo nyt todistaen niiden luotettavuuden ja suorituskyvyn.